Optimization of trim coils in a Superconducting Ring Cyclotron

Abstract

In designing a SRC (Superconducting Ring Cyclotron) as an energy variable and multi-ion accelerator, the trimming system optimization of the magnetic field was studied for the field isochronization. A booster cyclotron SRC-6 proposed by RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) RI (Radioactive Isotope) Beam Factory, emploied both superconducting and normal trim coils. A major correction was made using the superconducting trim coils, and the remnant error field correction using the normal trim coils. In SRC-6, high-temperature superconducting lead-wire was used to reduce heat conduction from the super-conducting trim coils to liquid helium. At the current of 500 A, the heat leak through the high-temperature superconducting lead-wire was about 0.2 W at 4.3 K, and this corresponded to about 2 KW at 300 K. The isochronized magnetic field was computed for O-16(7+) in the energy range of 55-400 MeV/u. The calculation used a least square fitting subroutines. The leftover error fields after fitting were examined as a function of the number of the superconducting trim coils. The error field when five sets of superconducting trim coils were used was reduced to be within +/- 10 gauss, or +/- 1 percent of the isochronous field. Twenty sets of resistive coils were tested under the condition of uniform spacing of 10 cm at radii between 365 cm and 555 cm, and fitting was carried out. The field error was less than +/- 0.05 percent in the case of five superconducting trim cases. This value of field error meets the criterion of field isochronism.

SRC(超伝導リングサイクロトロン)をエネルギー可変・マルチイオン加速器として設計するに際し、場の等時性化のための磁場のトリミングシステムを最適化する研究を行った。理研RI(放射性同位元素)ビームファクトリーで提案されているブースタサイクロトロンであるSRC-6では超伝導および常伝導トリムコイルを採用する。大きな補正は超伝導トリムコイルで行い、残留誤差磁場補正を常伝導トリムコイルで行う。SRC-6では超伝導トリムコイルから液体ヘリウムへの熱伝導を減らすため高温超伝導リード線を使用する。電流が500Aであるとき高温超伝導リード線を通して漏れる熱は4.3Kにおいて約0.2Wであり、これは300Kで約2kWに相当する。55〜400MeV/uのエネルギー範囲にあるO-16(7+)に対し等時性化磁場を計算した。この計算で用いたプログラムは最小2乗曲線当て嵌めサブルーチンである。曲線当て嵌め後の残留誤差場を、超伝導トリムコイルの数の関数として調べた。5組の超伝導トリムコイルを使うときの誤差場は±10ガウス、あるいは等磁場のプラスマイナス1%であった。20組の抵抗コイルを、半径365cmと555cmの間に10cmの均一な間隔に並べてテストし、曲線当て嵌めを行った。5つの超伝導トリムコイルの場合には、磁場誤差が±0.05%であった。この磁場誤差値は、磁場等時性に基準に適合する。